Leiterplattenstrategien zur Bekämpfung elektromagnetischer Störungen (EMI)

Der Umgang mit elektromagnetischen Störungen (EMI) ist eine der größten Herausforderungen, denen sich Elektronikentwickler stellen müssen, um sicherzustellen, dass Leiterplatten ordnungsgemäß und zuverlässig funktionieren. EMI bezieht sich auf die unerwünschte elektromagnetische Energie, die den normalen Betrieb elektronischer Geräte stört und zu Fehlfunktionen oder Ausfällen führen kann.

EMI‑Minimierung wird immer wichtiger, da elektronische Komponenten dicht gepackt sind, mit höheren Frequenzen arbeiten und strengere Toleranzen einhalten müssen. Layouttechniken, Erdungsverfahren, Abschirmung, Filterung und Komponentenplatzierung sind einige der in diesem Artikel erörterten Strategien zur EMI‑Minimierung.

Leiterplattenlayouttechniken

Die EMI‑Steuerung hängt stark vom Leiterplattenlayout ab. Designer können das Risiko elektromagnetischer Störungsprobleme reduzieren, indem sie geeignete Layoutstrategien verwenden, wie die unten aufgeführten.

Signalführung

Die Signalführung ist ein wichtiger Faktor, der beim Leiterplattendesign berücksichtigt werden sollte. Es ist wichtig, Hochgeschwindigkeitssignale sorgfältig zu leiten, um die Länge der Leiterbahnen zu begrenzen, da längere Leitungen als Antennen funktionieren und elektromagnetische Störungen aussenden können.

Designer sollten bei der Weiterleitung von Hochfrequenzsignalen Differenzialpaare verwenden, da sie Gleichtaktrauschen effektiv eliminieren können. Darüber hinaus verringern die Minimierung der Länge und die Gewährleistung eines direkten Weges für Signalspuren die Wahrscheinlichkeit, dass sie als Strahlungsemitter fungieren. Rechtwinklige Biegungen müssen unbedingt vermieden werden, da sie zu Reflexionen führen und elektromagnetische Störungen verstärken können. Stattdessen empfiehlt es sich, 45-Grad-Winkel oder gekrümmte Leiterbahnen zu verwenden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Leiterbahnen mit 90‑Grad‑Winkeln sind zu vermeiden.

Lagenaufbau

Die Anordnung der Lagen einer Leiterplatte hat einen erheblichen Einfluss auf ihre EMI‑Leistung. Ein richtig entworfener Lagenaufbau kann eine effiziente Abschirmung bieten und bei der Impedanzkontrolle helfen. Ein Beispiel hierfür ist, wenn eine durchgehende Erdebene neben einer Signallage positioniert wird, was zur Bildung eines Rücklaufpfads mit niedriger Induktivität führt. Dies wiederum verringert die Wahrscheinlichkeit elektromagnetischer Interferenzen (EMI).

Eine gängige Lagenaufbaukonfiguration kann aus abwechselnden Lagen von Signal- und Erd- oder Leistungsebenen bestehen, wobei Hochgeschwindigkeitssignallagen neben Erdebenen angeordnet sind. Dieses Design verringert effektiv elektromagnetische Störungen und minimiert Signalstörungen zwischen verschiedenen Kanälen.

Rückführungspfade

Es ist entscheidend, sicherzustellen, dass Signalspuren einen eindeutigen Rückführungspfad mit geringer Induktivität haben, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Signalspuren müssen von einer nahe gelegenen Erdebene begleitet werden, damit der Rückstrom direkt unter der Signalspur fließen kann. Dieser enge Abstand verringert die Größe der Schleife, was ein wichtiger Aspekt bei der Reduzierung der emittierten elektromagnetischen Wellen ist.

Wenn der Rückführungspfad unterbrochen wird, kann der Strom einen längeren und weniger direkten Kurs verfolgen, was zu einer Vergrößerung des Schleifenbereichs und elektromagnetischer Störungen führt.

Erdungstechniken

Erdung ist ein wesentliches Element des Leiterplattendesigns, insbesondere beim Umgang mit elektromagnetischen Störungen. Ein effektiv entwickeltes Erdungssystem kann die Ausbreitung von Rauschen verhindern und die Anfälligkeit für externe Interferenzen minimieren.

Erdebenen

Die Verwendung einer massiven Erdebene ist eine äußerst effektive Methode für den Umgang mit elektromagnetischen Störungen. Erdebenen dienen als Pfade mit niedriger Impedanz für Rückströme und bieten Schutz für empfindliche Schaltkreise, indem sie sie vor abgestrahltem Rauschen abschirmen. Mehrere Erdebenen in mehrlagigen Leiterplatten können zusätzliche Abschirmung bieten und elektromagnetische Störungen effektiv verringern. Erdebenen müssen solide und ohne Bruch oder Unterteilung bleiben, da Unterbrechungen zu Leitungen mit hoher Impedanz und erhöhtem Rauschen führen können.

Erdungsschemata

Es gibt verschiedene Erdungsschemata, die Designer je nach Anwendung verwenden können. Ein gebräuchlicher Ansatz besteht darin, eine Einpunkterdung zu verwenden, bei der alle Erdungsanschlüsse an einem einzigen Ort zusammenlaufen. Diese Methode ist für Niederfrequenzdesigns effektiv. Bei Hochfrequenzdesigns kann eine Mehrpunkterdung besser geeignet sein, wenn Erdungsverbindungen an mehreren Stellen hergestellt werden, um induktive Schleifen zu minimieren. Darüber hinaus kann die Trennung von analogen und digitalen Erdungen verhindern, dass Störungen von digitalen Schaltkreisen empfindliche analoge Signale verunreinigen. Wenn eine Trennung erforderlich ist, sollte die Erdung an einem einzigen Punkt angeschlossen werden, in der Regel in der Nähe der Stromquelle.

Erdschleifen

Erdschleifen sind eine bedeutende Quelle für elektromagnetische Störungen. Diese Vorkommen ergeben sich aus der Existenz vieler Erdpfade, die eine Schleife bilden, die zum Empfang von Störungen und zur Einführung von Rauschen in das System führt. Um Erdschleifen zu vermeiden, müssen Designer einen einzigen Punkt für alle Erdverbindungen festlegen und vermeiden, mehrere Kanäle zu erstellen, die möglicherweise eine Schleife erzeugen könnten. Durch die Implementierung eines Sternerdsystems, bei dem alle Erdungsanschlüsse von einem zentralen Punkt ausgehen, können Erdschleifen effizient vermieden werden.

Abschirmung

Abschirmung ist eine effektive Methode zur Eindämmung und Kontrolle elektromagnetischer Emissionen, insbesondere in Umgebungen mit hoher EMI‑Belastung oder empfindlichen Komponenten.

Die Abschirmung kann durch die Verwendung leitfähiger Gehäuse oder Gehäusen um die Leiterplatte oder bestimmte Komponenten erreicht werden (Abbildung 2). Diese Gehäuse fungieren als Faradaysche Käfige und verhindern, dass elektromagnetische Störungen in den geschlossenen Bereich gelangen oder ihn verlassen. Metallgehäuse oder ‑abdeckungen können zur Abschirmung der gesamten Leiterplatte oder kritischen Abschnitte verwendet werden. Wenn Sie beispielsweise eine metallische Abschirmung über empfindlichen analogen Komponenten platzieren, können diese vor digitalem Rauschen geschützt werden.

Abbildung 2: Abschirmungen schützen empfindliche Bereiche der Leiterplatte vor elektromagnetischen Störungen.

Um ihre Wirksamkeit zu gewährleisten, müssen Abschirmungen unbedingt mit der Masse verbunden werden. Eine Abschirmung, die nicht ordnungsgemäß geerdet ist, kann als Antenne fungieren und elektromagnetische Störungen verstärken. Der Masseanschluss sollte so kurz und direkt wie möglich sein, um einen niederohmigen Pfad zu ermöglichen. In einigen Fällen kann eine Erdung der Abschirmung an mehreren Punkten erforderlich sein, um eine effektive EMI‑Eindämmung zu gewährleisten.

Zusätzlich zu externen Gehäusen kann eine Abschirmung auf Leiterplattenebene implementiert werden. Dazu müssen Schutzdosen über bestimmten Komponenten oder Bereichen der Leiterplatte platziert werden. Diese Schutzdosen können direkt auf die Leiterplatte gelötet werden und sind besonders in kompakten Designs nützlich, bei denen der Platz für externe Abschirmungen begrenzt ist.

Filterung

Filter sind entscheidend, um zu verhindern, dass unerwünschte Frequenzen sich auf der Leiterplatte ausbreiten und Interferenzen verursachen.

Entkopplungskondensatoren (Abbildung 3) werden häufig verwendet, um Hochfrequenzrauschen von Netzteilen herauszufiltern. Durch die Platzierung dieser Kondensatoren in der Nähe der Stromversorgungsstifte auf integrierten Schaltkreisen (ICs) können Entwickler Hochfrequenzrauschen effektiv auf die Erde verlagern und so verhindern, dass es sich über die Leiterplatte ausbreitet. Es ist wichtig, Kondensatoren mit geeigneten Werten für die zu untersuchenden Frequenzen auszuwählen und sie so nah wie möglich an den ICs zu platzieren, für die sie bestimmt sind.

Abbildung 3: Entkopplungskondensatoren sind in der Nähe der Leistungsstifte des IC anzubringen.

Ferritperlen dienen als eine weitere effektive Filterkomponente, die hohe Impedanz bei hohen Frequenzen bietet und dadurch elektromagnetische Störungen dämpft. Diese Perlen werden häufig auf Strom- oder Signalleitungen platziert, um Hochfrequenzrauschen zu blockieren und gleichzeitig Niederfrequenzsignale durchzulassen. Bei der Auswahl von Ferritperlen ist es wichtig, ihre Impedanz- und Frequenzeigenschaften zu berücksichtigen, um eine effektive Filterung bei den gewünschten Frequenzen zu gewährleisten.

Designer können auch Widerstands- oder Induktorkondensatorfilter implementieren, um bestimmte Frequenzbereiche anzusprechen und abzuschwächen. Diese Filter können in Stromleitungen verwendet werden, um Hochfrequenzrauschen zu eliminieren, oder in Stromleitungen, um zusätzliche Filterung über das Angebot von Entkopplungskondensatoren hinaus zu ermöglichen. Die sorgfältige Auswahl der Komponentenwerte ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Filter unerwünschte Frequenzen effektiv anspricht, ohne die gewünschten Signale zu beeinträchtigen.

Komponentenplatzierung

Die Komponentenplatzierung auf einer Leiterplatte ist ein entscheidender Faktor bei der EMI‑Steuerung. Durch eine strategische Platzierung kann das Störungspotenzial erheblich reduziert und die Gesamtleistung des Stromkreises verbessert werden.

Trennung von Komponenten mit hoher und niedriger Geschwindigkeit

Es ist wichtig, Hochgeschwindigkeitskomponenten und ‑leiterbahnen von langsamen und empfindlichen analogen Komponenten getrennt zu halten. Hochgeschwindigkeitssignale können beträchtliches Rauschen erzeugen, das leicht in nahe gelegene analoge Schaltkreise gekoppelt werden kann, wenn sie nicht ordnungsgemäß isoliert sind. Durch die Gruppierung von Hochgeschwindigkeitskomponenten und deren Entfernung zu empfindlichen analogen Schaltkreisen kann das Risiko von Störungen minimiert werden.

Platzierung des Netzteils

Die Platzierung von Netzteilkomponenten wie Reglern, Induktivitäten und Kondensatoren ist ebenfalls für die EMI‑Steuerung von entscheidender Bedeutung. Diese Komponenten können ein erhebliches elektromagnetisches Rauschen erzeugen, insbesondere bei Schaltnetzteilen. Um dieses Rauschen einzudämmen, sollten die Netzteilkomponenten in der Nähe des Stromeingangs und von empfindlichen Bereichen der Leiterplatte entfernt platziert werden. Darüber hinaus können Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Stromversorgungsstifte von ICs verhindern, dass Stromversorgungsstörungen den übrigen Schaltkreis beeinträchtigen.

Taktsignalverwaltung

Taktsignale sind aufgrund ihrer hohen Frequenz und ihrer repetitiven Natur eine häufige Quelle für elektromagnetische Störungen. Daher sind eine sorgfältige Platzierung von Taktgeneratoren und die Weiterleitung von Taktsignalen unerlässlich. Taktsignale sollten so kurz wie möglich gehalten und weg von empfindlichen analogen Schaltkreisen geführt werden. In einigen Fällen kann die Verwendung von Abschirmungen oder das Platzieren von Erdungsspuren neben den Taktspuren dazu beitragen, die Strahlungsemissionen einzudämmen.

Design for Manufacturing (DFM)

Während der Schwerpunkt bei der EMI‑Minimierung auf Designtechniken liegt, ist es ebenso wichtig, die Herstellbarkeit zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das Design effektiv produziert werden kann, ohne die EMI‑Leistung zu beeinträchtigen.

Fertigungsprozesse beinhalten von Natur aus Variabilität, welche die EMI‑Leistung des Endprodukts beeinflussen kann. Um diesen Abweichungen Rechnung zu tragen, sollten Designer geeignete Toleranzen in das Design integrieren. So sollten beispielsweise die Komponentenplatzierung, die Leiterbahnbreite und die Bemaßungen des Lagenaufbaus unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen gestaltet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die EMI‑Leistung über verschiedene Produktionschargen hinweg konstant bleibt.

Die Wahl der Leiterplattenmaterialien spielt eine wichtige Rolle bei der EMI‑Leistung. Materialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten können dabei helfen, die Ausbreitung von Hochfrequenzsignalen zu reduzieren, während jene mit verlustarmen Tangenten die Signaldämpfung minimieren können. Es ist entscheidend, Materialien auszuwählen, die ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Herstellbarkeit herstellen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte EMI‑Anforderungen erfüllt, ohne dass es zu Fertigungsproblemen kommt.

Der Bestückungsprozess kann sich auch auf die EMI‑Leistung auswirken. Beispielsweise können Lötverbindungen mit hoher Induktivität Rauschen in den Stromkreis einleiten. Um die Effektivität der Strategien zur EMI‑Minimierung während der Designphase aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, dass Bestückungsprozesse genau gesteuert und die Komponenten ordnungsgemäß verlötet werden.

Prüfung und Validierung

Nach der Implementierung von Strategien zur EMI‑Minderung ist es von entscheidender Bedeutung, gründliche Prüfungen und Validierungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte die erforderlichen EMI‑Standards erfüllt.

Einer der wesentlichen Schritte in diesem Prozess ist die Durchführung von EMI‑Prüfungen in einer kontrollierten Umgebung, wie z. B. einer echoarmen Kammer. Diese Umgebung ermöglicht es Designern, die elektromagnetischen Emissionen von der Leiterplatte genau zu messen und potenzielle Probleme zu identifizieren. Die Prüfung sollte sowohl abgestrahlte als auch leitungsgebundene Emissionen umfassen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte allen Aspekten der EMI‑Normen entspricht.

Die EMI-Prüfung deckt häufig Probleme auf, die iterative Designanpassungen erfordern. Basierend auf den Prüfungsergebnissen müssen Designer möglicherweise verschiedene Aspekte des Leiterplattendesigns, wie z. B. Layout, Erdung und Abschirmung, noch einmal überdenken. Dieser Prozess der iterativen Prüfung und Verfeinerung ist entscheidend, um eine optimale EMI‑Leistung zu erzielen und sicherzustellen, dass die Leiterplatte alle Anforderungen erfüllt.

17.12.2024